介电弹性体人工肌肉Acc. Chem. Res.综述：材料创新和器件探索

【引言】

创造人造肌肉一直是科学和工程学的重大挑战之一。灵活、通用且高效的致动器的发明打开了制作新一代轻质、高效和多功能机器人的大门。当前人造肌肉技术可以实现低功率移动执行器，模拟高效和自然运动形式的机器人、自动机器人和传感器以及轻量级可穿戴技术。而且它们在生物医学设备中也有很多应用，柔韧性以及生物相容性都是是非常重要的。目前尚不清楚哪种材料最终会形成理想的人造肌肉。从形状记忆合金（SMA），到气动制动器，再到电活性聚合物（EAP）都可能实现人造肌肉目标的核心。其中，EAP是和天然生物材料最为接近的人造材料，它们包括离子注入和基于电场的致动机制。

【成果简介】

在EAP的领域中，最主要的研究方向是介电弹性体（DEs），它们应变大、断裂韧性和功率重量比与天然肌肉相近。虽然介电弹性体致动器（DEAs）在过去的20年里展现了巨大潜力。如何解决围绕DEA的核心问题，包括改善其在温度和电压方面的操作范围，为材料添加新功能，以及提高它们所依赖的组件的可靠性。

近日，加州大学洛杉矶分校的裴启兵教授（通讯作者）在Acc. Chem. Res.上发表了一篇题为 “Dielectric Elastomer Artificial Muscle: Materials Innovations and Device Explorations” 的综述文章，涵盖了该课题组和其他人在相关领域的重要研究。同时，本文还讨论了可变刚度聚合物，特别是双稳态电活性聚合物，对于软驱动器技术通常无法实现的结构应用的开放式DEA，探索了与高度柔顺和透明电极相关的科技进步。最后，文章介绍了应用前景及当前DEA技术面临的挑战，并推测可能进一步推进基于DE的人工肌肉整体的研究方向。

 【图文导读】

图1 DEA的工作原理示意图

DEA由夹在两个柔性电极之间的弹性体组成，当施加电压时，发生电荷分离并在膜上引起静电压力，这会使薄膜变形，增加其面积并减小其厚度。

图2 VHB丙烯酸弹性体的驱动性能。

（a）对预拉伸薄膜进行区域扩张；

（b）在5kV恒定电压下比较未处理（RIPN）和增塑剂处理的VHB膜之间的温度依赖性应变响应。

图3 DEs的特征应力-应变曲线作为非预拉伸薄膜（具有原点O的实曲线）和预拉伸薄膜（O'处的虚线曲线）的机械应变或电场（在恒定电压下）的函数图

十字（×）表示介电击穿。 点（A）和（B）分别代表表观击穿场和实际击穿强度。

图4独立的互穿聚合物网络（IPN）制造工艺

弹性体是预拉伸的（黑色网络）并喷涂多功能单体添加剂，然后在主机网络中聚合形成第二网络（红网）。

图5 化学改性弹性体在不预拉伸的情况下抑制拉入失效

（a）作为刚性，柔软和定制弹性体的拉伸比（λ）的函数的特征模量或应力（f^*）；

（b）VHB4905，其IPN和改性弹性体（Cx-P0）的实验应力 - 应变行为。

 图6 导电纳米填料改善了介电常数

（a）由于填料形成的导电路径而经历电击穿的DE复合材料的图示（左）; 具有受阻电渗透的封装导电填料（右）；

（b）官能化铝纳米颗粒的示意图;

（c）介电常数和（d）含有特定量的铝纳米颗粒的复合材料的致动测试。

图7 具有Diels-Alderbonds的可变刚度聚丙烯酸酯

（a）聚丙烯酸酯通过聚合物可逆性交联实现可变刚度;

（b）模量可逆性的循环热处理;

（c）聚丙烯酸Diels-Alder VSP在不同电场下的软（PADA-4-s）和刚性（PADA-4-r）状态下的面致动应变。

图8 BSEP作为DE执行器

（a）基于BSEP的执行器的工作机制;

（b）使用玻璃化转变BSEP的隔膜致动器的性能。

 图9 改善BSEP材料的机械和电介质特性

（a）玻璃化转变BSEP和（b）相变BSEP的刚度变化的图示;

（c）线性PTBA和交联的PTBA-IPN之间的模量 - 温度分布和（d）介电致动性能的比较;

（e）相变BSEP（BSxx）模量的温度依赖性;

（f）BS80-AA5和BS80在50℃下的应力 - 应变响应。

 图10 CNT电极的容错性

（a）尽管针刺穿了薄膜, VHB-CNT致动器表现出90％的致动应变。

（b）由于CNT的自清除效应，硅树脂CNT致动器的循环致动测试表明寿命延长。

图11基于弹簧致动器的步行机器人

（a）弹簧制动器制造的示意图;

（b）在5.5kV下致动期间的双自由度（2-DOF）弹簧辊弯曲;

（c）MERbot：一种六脚机器人，带有2自由度弹簧作为支腿。

图12 用于微流体控制的介电弹性体阀（DEV）

在（a）休息和（b）致动状态下DEV的照片;

（c，d）通过背光照明对DEV流体控制（红色水性染料）进行视觉表征。

图13 BSEP设备

（a）由BSEP执行器制成的可刷新盲文面板;

（b）BSEP气动致动器（上部）的工作机构的横截面图和示出“U”，“C”，“L”，“A”（下部）的触觉面板的示意图。 比例尺为2 mm；
（c）通过切换电场开启和关闭来反转写入BSEP光子纳米复合材料。 比例尺为3 mm。

 【小结】

本文综合楼近期关于DE材料、兼容电极和执行器装置的重要发展和自己课题组的探索。定制应力应变行为的新DE材料，具有更高的介电常数和可调节的刚度，改善了材料性能并拓宽了其应用范围。同时，AgNW、CNT和聚合物电解质凝胶电极实现了大而稳定的致动。作为“人造肌肉”，DE致动器已经被研究用于许多应用，包括软机器人、能量存储-发生器和人机界面。DEA在实际应用中仍然具有挑战性，虽然DEA的最大性能远远超过自然肌肉（例如，> 1 MPa应力，> 100％应变和100 Hz响应速度），但DEA的稳定运行性能指标尚未完全建立，除了操作稳定性和可靠性之外，高驱动电压也是安全问题和缺乏紧凑和有效驱动电路的主要问题。

文献链接：Dielectric Elastomer Artificial Muscle: Materials Innovations and Device Explorations（Acc. Chem. Res.，2019，DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00516）

本文由材料人编辑部高分子学术组水手供稿，材料牛编辑整理。

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